微波预处理对玉米淀粉液化的影响*

刘文静，李兆丰1，，顾正彪1，，洪雁，程力，李才明

1(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡，214122)

2(江南大学 食品学院，江苏 无 锡，214122)

玉米淀粉具有原料充足、生产成本低等优点，可进一步加工成淀粉糖、酒精、有机酸等［1］。在传统的淀粉糖生产工艺中，玉米淀粉乳浓度一般控制在30%左右，相对较低的淀粉浓度造成水耗和能耗明显偏高［2］，另外，在抗生素、氨基酸等发酵工艺中，要求补加高浓度糖液(40%以上)，而传统工艺所得到的糖液浓度达不到要求，往往需要进一步浓缩，这些均不利于产品生产成本的控制和可持续发展的要求。为了解决上述问题，提高淀粉乳的初始浓度可能是最有效的途径之一［3］。然而，随着初始浓度的提高，在加热糊化、液化过程中，淀粉糊的粘度会过大，很难搅拌与混合均匀，使输送、加热、冷却、反应等变得十分困难［4-5］，因此，降粘是实现高浓度玉米淀粉液化的关键。本文主要采用微波对玉米淀粉进行预处理，考察其对高浓度玉米淀粉质量分数40%液化的影响，并分析相关机理。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米淀粉(水分含量10.25%)，山东恒仁工贸有限公司提供;耐高温 α-淀粉酶(酶活18 000 U/mL)，无锡杰能科生物工程有限公司提供。

MZG1500S型微波实验仪，南京江研微波系统工程有限公司;Viscograph-PT100型布拉班德粘度仪，德国Brabender公司;D8 Advance型 X射线衍射仪，德国 Bruker公司;S3500型激光粒度分析仪，美国Microtrac公司;Pyris-1 DSC型差示扫描量热仪，美国Perkin Elmer公司;QUANTA-200型扫描电子显微镜，英国Malvery公司。

1.2 实验方法

1.2.1 淀粉的微波预处理

将200 g玉米原淀粉放入1 000 mL烧杯中，敞口置于微波实验仪中照射一定时间，功率按4 W/g玉米淀粉计算，取出后冷却至室温。

1.2.2 淀粉液化过程中粘度的测定

配制质量分数为40%(以干基计)的玉米淀粉乳400 g，调节pH值至6.0，60℃下保温 15 min，加入耐高温α-淀粉酶10 U/g干淀粉，搅拌均匀后倒入布拉班德粘度仪的测量杯中。测定程序为:以1.0℃/min的速率从 60℃升温至 90℃，保温 40 min，再以3.0℃/min的速率降温至 50℃，保温 1 min，转速为75 r/min，得到黏度曲线。

1.2.3 淀粉液化过程中还原糖含量的测定

配制质量分数为40%(以干基计)的玉米淀粉乳400 g，调节pH值至6.0，60℃下保温 15 min，加入耐高温α-淀粉酶10 U/g干淀粉，以1.0℃/min的速率升至90℃，保温，并准确计时。定时取样并灭酶，定容至一定体积，采用DNS法［6-7］测定还原糖含量。

1.2.4 扫描电子显微镜(SEM)观察

将一定量的待测淀粉样品置于双面胶上，放入镀金器中喷涂铂/钯合金，然后放入扫描电子显微镜中观察，并拍摄具有代表性的样品颗粒微观结构。

1.2.5 粒度分布的测定

将适量淀粉样品置于样槽中，使用激光粒度分布仪干法测定其粒度分布［8］。

1.2.6 X-射线衍射分析

采用连续扫描法，扫描速率为2°(2θ)/min，扫描范围4～36°，步长为0.02，管压管流分别是40 kV和40 mA。

1.2.7 糊化特性的测定

称取一定量的淀粉样品，加入去离子水配制成质量分数为6%(以干基计)的淀粉乳460 g，混合均匀后置于布拉班德粘度仪的测量杯中。测定程序为:以3.0℃/min的速率从30℃升温至95℃，保温30 min，再以3.0℃/min的速率降温至50℃，保温30 min，转速为75 r/min，得到淀粉糊化特性曲线。

1.2.8 热力学性质测定

准确称取总质量为6 mg的干淀粉样品与蒸馏水［m(固形物)∶m(水)=1∶2］于 DSC 专用坩埚内，密封后置于4℃冰箱中预平衡22 h。设定DSC程序为:恒定速率(10℃/min)从30℃升温至90℃，以空的坩埚作为DSC曲线的对照。从DSC曲线分析相变起始温度TO、相变高峰温度TP、相变终了温度TC、热焓值ΔH。

2 结果与讨论

2.1 微波预处理对高浓度玉米淀粉液化的影响

2.1.1 黏度

在加热糊化过程中，玉米淀粉乳的黏度会明显升高，加入液化酶可以明显降低峰值黏度及峰值黏度持续时间［9］。由图1可知，当玉米淀粉浓度为40%时，在糊化、液化过程中峰值黏度达到约11 000(mPa·s)，很难搅拌与混合均匀;淀粉经微波预处理后，40%玉米淀粉乳在糊化、液化过程中的黏度明显低于对照，峰值黏度相比于对照降低了约35%，且高黏度持续时间明显缩短。说明微波预处理导致玉米淀粉液化速率加快，糊化过程中较低的黏度为实现高浓度玉米淀粉的液化创造了更好的条件。

图1 玉米淀粉乳液化过程黏度变化曲线Fig.1 Viscosity curves of corn starch during liquefaction

2.1.2 还原糖含量

α-淀粉酶属内切型淀粉酶，作用于淀粉分子内部切开α-1，4糖苷键，使淀粉分子迅速降解，水解产物的还原力增加［10］。由图2可以看出，经微波预处理后，在相同反应条件下，40%玉米淀粉乳液化过程中还原糖含量明显高于对照。在反应时间为0.5、1.0、1.5 h时，其还原糖含量分别高于对照 90%、40%、25%。同样说明微波预处理加快了玉米淀粉的液化，而且在酶反应前期更加明显。

图2 耐高温α-淀粉酶水解过程中还原糖含量Fig.2 Reducing sugar content during starch liquefaction by thermostable α-amylase

2.2 机理分析

2.2.1 微波预处理对玉米淀粉颗粒形态的影响

由图3可知，经微波预处理后，淀粉颗粒表面变得粗糙，出现很多空洞，部分颗粒表面呈现凹陷。可能原因是:在微波辐射过程中，淀粉颗粒内部产生的热量使表面受到由内到外的作用力，冲破颗粒表面的束缚，形成小孔［11］。淀粉颗粒表面结构的变化，增加了颗粒的比表面积，导致α-淀粉酶更容易与其接触，而且，孔洞的出现使酶容易进入颗粒内部，因此，在升温糊化、液化过程中，α-淀粉酶对未完全膨胀的淀粉颗粒的降解作用更加明显，导致反应体系的黏度相对较低。

2.2.2 微波预处理对玉米淀粉颗粒粒度的影响

玉米淀粉颗粒粒度分布呈单峰状且分布范围较窄，通常采用中位径D50表示其平均粒径。中位径D50是分布曲线中累积分布为50%时最大颗粒的等效直径［8］。从表1中可看出，经微波处理后，玉米淀粉平均粒径稍大于原淀粉，在大粒度范围内分布比例高于原淀粉，而在最小粒度范围内的分布比例相比原淀粉明显降低。可能原因是:在微波辐射过程中，淀粉颗粒内部的结合水在短时间内受热蒸发［12］，内部所形成的压力使淀粉颗粒有所膨胀，结构变得疏松。相对松散的结构使玉米淀粉颗粒更容易被α-淀粉酶所作用。

图3 玉米淀粉微波处理前后的SEM照片Fig.3 SEM picture of native and microwave-treated corn starch

表1 微波处理前后玉米淀粉粒度分布值Table 1 Granule size distribution of native and microwave-treated corn starch

2.2.3 微波预处理对玉米淀粉颗粒结晶度的影响

淀粉颗粒的天然结晶结构对酶作用有较强的抵抗力。由图 4可知，玉米淀粉颗粒在 2θ为 15.3°、17.1°、18.2°和 23.5°时具有强的吸收峰，为谷物类淀粉常见的A型结晶;微波处理未改变淀粉的晶型，仍然是A型。采用MDI Jade 5.0软件对XRD图谱进行分析，得到原淀粉的结晶度为33.0%;经微波预处理后，淀粉的结晶度降低至26.7%，淀粉颗粒的结晶结构约19%被破坏，说明部分淀粉分子排列的有序性下降，因此，淀粉颗粒对酶的抵抗作用减弱，导致淀粉糊化过程中的酶解速率加快。

图4 玉米淀粉微波预处理前后的X射线衍射图Fig.4 X-ray diffraction patterns of corn starch

2.2.4 微波预处理对玉米淀粉糊化特性的影响

根据Brabender黏度曲线的形状，可将其分为A、B、C和D型［13］，由图 5可看出，微波处理没有改变玉米淀粉黏度特性曲线的形状，仍为A型，但处理后玉米淀粉糊的黏度(峰值黏度、95℃黏度、95℃保温0.5 h的黏度、50℃黏度、50℃保温0.5 h后的黏度)有一定程度的降低。Lewandowicz等在研究微波对木薯和马铃薯淀粉性质的影响时也得到同样的结论［14］。微波产生的热可能使淀粉链发生降解，部分淀粉分子链变短，导致糊化过程中的黏度相对较低，从而有助于淀粉的液化。

图5 6%玉米淀粉乳的Brabender黏度曲线Fig.5 Brabender viscosity curves of 6%corn starch

2.2.5 微波预处理对玉米淀粉热力学性质的影响

差示扫描量热仪(DSC)可以用来分析淀粉的热力学性质。微波处理前后玉米淀粉的糊化起始温度TO、峰值温度TP和终止温度TC以及相变过程中的糊化热焓值ΔH，如表2所示。微波处理后玉米淀粉的TO、TP和ΔH值降低，而TC值升高。TC-TO反应了淀粉颗粒内部结晶体的多样化程度，值越大，异种化程度越高［15］。

微波处理后的玉米淀粉TC-TO值增加了5.45℃，表明在微波处理过程中有新的不同稳定性结晶体出现，有利于在升温过程中酶将其逐步降解。Cooke等［16］的研究指出，糊化焓ΔH主要反应的是淀粉双螺旋结构的消失而不是结晶结构。微波处理后淀粉的ΔH降低，表明微波处理使部分淀粉双螺旋结构被破坏，有助于淀粉的糊化、液化。

表2 微波处理前后玉米淀粉的DSC参数值Table 2 Thermal properties of native and microwave-treated starch corn starch by differential scanning calorimetry

3 结论

微波预处理增强了玉米淀粉对酶的敏感性。经微波预处理后，高浓度玉米淀粉在糊化、液化过程中的黏度低于对照，而还原糖含量明显高于对照，为高浓度玉米淀粉的液化创造了更好的条件。其主要机理可能是:微波处理使玉米淀粉颗粒表面变得粗糙，且出现孔洞，增加了颗粒的比表面积，同时颗粒结构变得疏松，结晶度下降，导致在升温糊化过程中酶对淀粉颗粒的降解作用更加明显;另外，微波处理也可能使部分淀粉链发生了一定程度的降解。

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